田家村半自磨產(chǎn)品粗粒礦漿長距離管道輸送參數(shù)優(yōu)化

王志杰

（攀鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司，四川 攀枝花 617000）

由于管道輸送具有成本較低、安全環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，礦山行業(yè)采用礦漿管道輸送越來越普遍。目前鐵礦山采用長距離管道輸送精礦的有太鋼尖山鐵礦、昆鋼大紅山鐵礦、包鋼巴潤公司、攀鋼白馬礦等，精礦粒度普遍在-0.044 mm占70%左右［1］，最大顆?；究刂圃?.1 mm以下。鐵礦山尾礦普遍采用管道輸送，最大粒度一般控制在3 mm以內(nèi)［2］，由于尾礦比重相對原礦或精礦較低，臨界流速較小，各礦山應(yīng)用都非常成功。鐵礦山一段磨礦產(chǎn)品采用較長距離管道輸送未見報(bào)道。白馬田家村由于位于山區(qū)，為了降低投資和運(yùn)行成本，設(shè)計(jì)采用了-3 mm半自磨礦漿管道輸送至磨礦廠房，距離6.5 km，但投產(chǎn)以后管道頻繁堵塞，不能正常運(yùn)行。為找準(zhǔn)管道堵塞的原因，以較少的投入盤活已建成的資產(chǎn)，避免投資浪費(fèi)，開展了粗粒礦漿長距離管道輸送參數(shù)優(yōu)化研究。

1 田家村礦漿管道輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 半自磨系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

田家村半自磨系統(tǒng)礦石來源于田家村采場，設(shè)計(jì)年處理礦石500萬t/a，礦石通過汽車運(yùn)輸至田家村粗破碎站的受礦倉，礦山來礦粒度-1 200 mm，采用顎式破碎機(jī)一段破碎，破碎產(chǎn)品粒度P80=250 mm。破碎產(chǎn)品通過給料機(jī)為半自磨機(jī)供料，半自磨為φ9.15 m×5.03 m濕式半自磨機(jī)，磨機(jī)排料口配有圓筒篩隔粗，隔粗后的礦漿自流進(jìn)入分級，分級采用2臺ZKR3070單層直線振動(dòng)篩，篩孔尺寸為3 mm×30 mm，篩上物和圓筒篩的粗物料通過帶式輸送機(jī)返回半自磨機(jī)，直線振動(dòng)篩篩下礦漿自流進(jìn)泵池，通過兩級泵站揚(yáng)送至萬年溝選礦廠。流程圖見圖1。

1.2 礦漿管道輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 礦漿管道輸送參數(shù)

田家村設(shè)計(jì)半自磨處理礦石500萬t/a，干礦量672.04 t/h，產(chǎn)品粒度-3 mm，產(chǎn)品細(xì)度-0.074 mm約占20%，固體密度3.4 t/m3，礦漿濃度40%，漿體密度1.393 t/m3，礦漿量1 205.72 m3/h。由于前期不具備試驗(yàn)條件，設(shè)計(jì)單位借鑒攀枝花密地選礦廠的尾礦輸送試驗(yàn)數(shù)據(jù)（見表1），并根據(jù)密地選礦廠尾礦密度3.296 t/m3、濃度50%、尾礦細(xì)度-0.074 mm約60%等特性，考慮田家村半自磨礦石與密地選礦廠尾礦特性差異，設(shè)計(jì)計(jì)算田家村半自磨產(chǎn)品管道輸送為：水力坡降3.905%，管道內(nèi)徑375 mm，輸送流量1 200 m3/h，設(shè)計(jì)揚(yáng)程180 m，設(shè)計(jì)流速3.03 m/s。

1.2.2 礦漿管線設(shè)計(jì)

田家村半自磨車間至萬年溝二期選礦廠主廠房原礦管道輸送線路長度6 200 m，管道走向充分利用地形順坡布置。原礦加壓系統(tǒng)采用三級串聯(lián)，分兩級泵站設(shè)計(jì)。

原礦1號加壓泵站標(biāo)高1 636 m，泵站設(shè)置在半自磨車間內(nèi)，選用250PN渣漿泵4臺（2臺串聯(lián)工作、2臺備用），葉輪直徑為965 mm，管道為D408×8（8）鋼橡復(fù)合管，1條工作1條備用，輸送距離約5 000 m，泵揚(yáng)程88 m。輸送礦漿至原礦2號加壓泵站。

田家村原礦2號加壓泵站標(biāo)高1 540 m，選用250PN渣漿泵2臺（1臺工作、1臺備用），葉輪直徑為965 mm，管道為D408×8（8）鋼橡復(fù)合管，1條工作1條備用，輸送距離約1 500 m，最終接收礦漿池標(biāo)高1 550 m，泵揚(yáng)程92 m。

2 田家村礦漿管道運(yùn)行參數(shù)考察及堵塞原因分析

田家村管道設(shè)計(jì)投產(chǎn)后，出現(xiàn)周期性管道堵塞，每連續(xù)運(yùn)行12 h左右出現(xiàn)堵管，需要停車沖洗管道，嚴(yán)重時(shí)要分段拆卸管道加以沖洗，待管道內(nèi)沉積礦洗完后再運(yùn)行，如此反復(fù)，系統(tǒng)根本無法連續(xù)運(yùn)行。為了查找管道堵塞的原因，尋找管道能夠正常運(yùn)行的途徑，對運(yùn)行中的礦漿粒度組成，礦漿流量、流速進(jìn)行了測定及分析。

2.1 礦漿粒度分析

田家村半自磨設(shè)計(jì)臺時(shí)處理量為672.04 t/h，實(shí)際生產(chǎn)表明，處理量越大，輸送礦漿粗粒級越多，礦漿管道堵塞周期越短，為了能持續(xù)跟蹤考察產(chǎn)品粒度和流速等指標(biāo)，考察時(shí)將原礦臺時(shí)降低至500 t/h左右，半自磨分級篩孔尺寸為3 mm×30 mm。通過原一泵站輸送5 km至二泵站后，在一泵站出口采取礦漿的粒度篩析數(shù)據(jù)見表2。

由表2可知，在原礦500 t/h左右時(shí)，一泵站出口取樣+3 mm在0.15%～3.69%，-0.074 mm在19.23%～35.75%之間。隨著運(yùn)行時(shí)間延長，出口礦漿粒度粗粒級減少，細(xì)粒級增加，泵電流下降，管道出現(xiàn)堵塞征兆。分析認(rèn)為：由于原礦一級泵站至原礦二級泵站距離為5 km，一開始運(yùn)行時(shí)粗粒級+3 mm顆粒在管逐步沉積，通過滑動(dòng)，僅有少部分粗顆粒到達(dá)原礦二級泵站出口，導(dǎo)致管道內(nèi)粗細(xì)分層，管徑縮小，管道輸送出現(xiàn)異常，最終導(dǎo)致堵塞。

2.2 管道輸送礦漿輸送參數(shù)分析

在管道輸送運(yùn)行周期內(nèi)不同時(shí)間段進(jìn)行了礦漿流量、濃度、流速等輸送參數(shù)考察。結(jié)果見表3。

由表3可知：

（1）在運(yùn)行9 h統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)，平均臺時(shí)僅為522.61 t/h，與設(shè)計(jì)臺時(shí)672.04 t/h相差149.43 t/h，平均流量1 204.59 m3/h，平均濃度34.35%，平均流速為3.03 m/s。

（2）初始運(yùn)行時(shí)管道礦漿流速較高，測定的最高流速可達(dá)3.67 m/s，流量較大，達(dá)到1 458.83 m3/h，濃度為29.22%。

（3）隨著運(yùn)行時(shí)間延長，流量和流速呈明顯的下降趨勢。至管道接近堵塞時(shí)，流量下降至1 000 m3/h附近，流速下降到2.8 m/s左右，最低為2.54 m/s。低于設(shè)計(jì)流速3.03 m/s。礦漿濃度呈明顯上升趨勢，從29.22%上升到37.30%。

（4）分析認(rèn)為，前期管道通暢時(shí)，礦漿流速快、輸送流量大、礦漿濃度低。隨著粗顆粒尤其是+3 mm粒級在管道逐步沉積，管道局部內(nèi)徑變小，管道內(nèi)壓力增大，礦漿流速和流量越來越低。同時(shí)礦漿濃度增大，泵出口壓力增大，泵出口短節(jié)爆裂，泵殼漏礦。根本原因在于設(shè)計(jì)前沒有進(jìn)行礦漿流變特性、沉降等實(shí)驗(yàn)工作，利用密地選廠尾礦輸送實(shí)驗(yàn)參數(shù)推導(dǎo)的參數(shù)不可靠，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的臨界流速和不淤流速偏低，粗顆粒沉降在管道底部，逐步累積到一定程度時(shí)，導(dǎo)致管道堵塞。

3 田家村礦漿管道輸送優(yōu)化研究

由于田家村半自磨管道系統(tǒng)剛投產(chǎn)，為了盤活已建成資產(chǎn)，以盡可能少的投入對系統(tǒng)加以改進(jìn)優(yōu)化，以保證礦漿系統(tǒng)能正常運(yùn)行。在試運(yùn)行考察分析的基礎(chǔ)上，對田家村半自磨和管道系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，并開展了相關(guān)礦漿水力學(xué)試驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1 礦漿管道輸送優(yōu)化改進(jìn)

3.1.1 降低輸送粒度，降低臨界流速

通過礦漿管道輸送數(shù)據(jù)分析，由于粗粒級尤其是+3 mm粒級在管道沉積是管道堵塞的主要原因，且篩下礦石顆粒以扁平長條形較多，因此將半自磨系統(tǒng)分級直線振動(dòng)篩篩孔尺寸由設(shè)計(jì)的3.0 mm×30 mm調(diào)整為2.5 mm×15 mm，以降低礦石顆粒粒度，從而降低臨界流速和不淤流速。

3.1.2 增加葉輪直徑，提高流量和揚(yáng)程

在前期運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，即使管道運(yùn)行初期流量較大時(shí)，電機(jī)電流僅66 A，距額定電流80 A還有提高的空間，因此決定在電機(jī)不變的前提下，將渣漿泵一級加壓泵站兩臺串聯(lián)渣漿泵葉輪直徑，由設(shè)計(jì)的965 mm改為990 mm，以提高渣漿泵的流量和揚(yáng)程，同時(shí)增大渣漿泵泵池補(bǔ)加水，以保證適宜的礦漿輸送濃度和流量。二級加壓泵站在前期運(yùn)行中需要大量補(bǔ)加水才能做到流量匹配，表明流量有一定的富余，因此保持設(shè)計(jì)965 mm葉輪不變。

3.1.3 泵池結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為防止礦漿在泵池四角發(fā)生淤積、垮塌導(dǎo)致礦漿濃度波動(dòng)，將渣漿泵池底部由平底四角結(jié)構(gòu)改造為三面坡結(jié)構(gòu)，向泵入口方向傾斜。

3.2 優(yōu)化后管道輸送考察

為盡可能提高半自磨機(jī)處理能力，檢驗(yàn)達(dá)到設(shè)計(jì)臺時(shí)處理量時(shí)管道能否正常運(yùn)行，將半自磨鋼球充填率由12%提高到14%，由于田家村開采初期有部分風(fēng)化礦，試驗(yàn)期間原生礦與風(fēng)化礦比例按2∶1配礦。通過72 h工業(yè)試驗(yàn)表明，改造后礦石平均處理量超過設(shè)計(jì)指標(biāo)，田家村礦漿管道運(yùn)行平穩(wěn)，不再發(fā)生堵塞。說明優(yōu)化初步達(dá)到最初的目的。

3.2.1 半自磨運(yùn)行工藝參數(shù)考察

優(yōu)化后72 h工業(yè)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)見表4。

從表4可以看出，半自磨機(jī)試驗(yàn)期間處理礦石主要為原生礦，原礦處理量達(dá)到了690.53 t/h，超過了設(shè)計(jì)指標(biāo)，通過對篩孔的縮小，返砂比提高到12.21%，但仍低于設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3.2.2 礦漿管道優(yōu)化前后粒度考察

優(yōu)化后，對管道輸送粒度進(jìn)行了全粒級篩析，優(yōu)化前后礦漿粒度分析結(jié)果見表5、圖2、圖3。

通過表5、圖2、圖3可看出：通過對直線篩篩孔縮小，使用2.5 mm×15 mm篩孔尺寸后半自磨系統(tǒng)產(chǎn)品粒度降低明顯，粗粒級含量明顯降低，+3 mm粒級基本消除，+0.45 mm粒級粗粒減少了13.07個(gè)百分點(diǎn)，-0.074 mm粒級增加了10.47個(gè)百分點(diǎn)左右?？s小篩孔有效地減少了粗粒級含量。

3.2.3 礦漿管道流量、流速考察

對正常輸送后的流量、流速、礦漿濃度等進(jìn)行了考察對比，結(jié)果見表6。

由表6可知：優(yōu)化后，管道流量非常穩(wěn)定，平均流量達(dá)到1472.25 m3/h，提高了22.22%；平均流速為3.68 m/s，提高了21.45%；輸送礦漿濃度也有一定程度提升。說明優(yōu)化后，輸送流量、流速指標(biāo)超過設(shè)計(jì)指標(biāo)，管道輸送正常穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期目的。

3.3 田家村礦漿流變特性研究

通過對管道輸送優(yōu)化，在保證生產(chǎn)正常后，為了從理論上分析前期管道堵塞的原因，探討管道系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化的可行性，委托專業(yè)研究單位對田家村礦漿流變特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

3.3.1 礦漿沉降試驗(yàn)

沉降速度試驗(yàn)結(jié)果見表7、圖4。

從表7、圖4可以看出：田家村原礦漿體屬于沉降型漿體，濃度提高后沉降速度有明顯的減小，也就是說提高輸送濃度，臨界流速有可能降低。

3.3.2 不同礦漿濃度的流變特性試驗(yàn)

為研究礦漿濃度對流變特性的影響，進(jìn)行了25%、30%、35%、40%、45%、50%不同礦漿濃度的流變試驗(yàn)，流變試驗(yàn)結(jié)果見表8。試驗(yàn)結(jié)果表明，礦漿屈服應(yīng)力和剛度系數(shù)均隨濃度的增加而增加。

3.3.3 臨界流速

根據(jù)流變特性及沉降試驗(yàn)結(jié)果，對輸送管道內(nèi)徑375 mm的田家村原礦漿體管道輸送參數(shù)計(jì)算，包括臨界流速和管道摩阻分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表9。

根據(jù)表9分析，田家村原礦管道輸送的臨界流速較大，主要是田家村原礦粒級組成比較粗引起的，顆粒粒徑對臨界流速有較大的影響；隨著輸送濃度的增加，臨界流速有明顯的減小，其主要原因是由于漿體濃度的增加抑制了顆粒的沉降。

3.3.4 摩阻損失

田家村原礦漿體輸送已設(shè)計(jì)采用內(nèi)徑375 mm鋼橡復(fù)合管輸送，其管道內(nèi)壁絕對粗糙度遠(yuǎn)大于直縫管或無縫管，由于該礦粒級組成比較粗，需要較大的輸送速度，其雷諾數(shù)在106數(shù)量級左右，流態(tài)屬于粗糙區(qū)，因此確定管道內(nèi)壁絕對粗糙度顯得尤為重要，根據(jù)查找相關(guān)文獻(xiàn)資料和工程經(jīng)驗(yàn)，鋼橡復(fù)合管內(nèi)壁絕對粗糙度取0.25，用于管道摩阻損失的計(jì)算，同時(shí)把實(shí)測的田家村原礦密度、顆粒組成、不同濃度下的流變參數(shù)輸入計(jì)算程序計(jì)算不同濃度、不同流速下的摩阻損失。

內(nèi)徑375 mm、粒度3 mm摩阻損失的計(jì)算結(jié)果見表10，摩阻-速度曲線見圖5。

從表10、圖5分析，與鐵精礦和尾礦漿體相比，田家村原礦漿粒度較粗，摩阻系數(shù)更大。結(jié)合管道的敷設(shè)情況，計(jì)算-3 mm漿體輸送，最低運(yùn)行流速下所需揚(yáng)程，結(jié)果見表11。

從表11分析：隨著輸送礦漿濃度升高，輸送流速降低，輸送礦漿量減少，摩阻損失升高。計(jì)算的輸送揚(yáng)程均大于200 m。

通過系統(tǒng)研究和計(jì)算，得到如下結(jié)論：優(yōu)化后3臺泵串聯(lián)的揚(yáng)程可以滿足輸送工況對揚(yáng)程要求；田家村原礦輸送管道的臨界流速大于設(shè)計(jì)流速，造成的原因主要是物料粒度太粗，盡量降低物料的粒徑是保證本輸送管道正常運(yùn)行的關(guān)鍵，因此將輸送粒度由-3 mm調(diào)整為-2.5 mm。雖然濃度提高有利于降低礦漿顆粒的沉降，但由于田家村管道內(nèi)徑已定，原礦量受半自磨系統(tǒng)處理能力的制約，無法大幅度提高，只有通過增加給礦量小范圍內(nèi)優(yōu)化，并在生產(chǎn)過程中盡可能降低原礦量波動(dòng)，保持礦漿濃度的相對穩(wěn)定。

3.4 田家村礦漿管道最終優(yōu)化及輸送參數(shù)確定

結(jié)合田家村管道輸送礦漿流體力學(xué)試驗(yàn)成果，對礦漿管道輸送進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化。

在前期粒度、葉輪、泵池等優(yōu)化后，在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，管道輸送對粒度非常敏感，在2.5 mm×15 mm篩孔篩板運(yùn)行大約一周后，篩板稍有磨損，篩孔粒度變大，管道中礦漿粒度略微變粗，管道開始出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。為保證管道能正常運(yùn)行，且讓篩板保持相對較長的壽命，在生產(chǎn)中將篩板尺寸確定在2 mm×12 mm。

由于粒度降低，臨界流速減小，在保證管道輸送正常的前提下，為提高輸送濃度，減少環(huán)水消耗，通過摸索將一級泵站葉輪直徑優(yōu)化為870 mm和980 mm，二級泵站葉輪直徑保持965 mm不變。

隨著采場的延伸，風(fēng)化礦大幅度減少并逐步變?yōu)樵V，半自磨機(jī)臺時(shí)穩(wěn)定在平均613 t/h，測定管道流速為3.44 m/s，與礦漿流體力學(xué)試驗(yàn)研究接近。礦漿粒度組成見表12。

由表12可見，通過將篩孔縮小為2 mm后，礦漿中+1.8 mm粒級僅為0.4%，由于原生礦更難磨，礦漿中-0.074 mm含量降到27.6%，但管道依然保持暢通，說明+3 mm粗顆粒大幅減少，礦漿臨界流速降低，是管道能正常運(yùn)行的原因。通過最終優(yōu)化，管道已穩(wěn)定運(yùn)行8 a。

4 結(jié) 論

（1）田家村半自磨礦漿管道設(shè)計(jì)前期沒有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，依靠類比法確定尾礦輸送參數(shù)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)流速過低，投產(chǎn)初期管道發(fā)生堵塞。礦山管道系統(tǒng)投資比較大，要保證項(xiàng)目的成功，需要先開展充分的礦漿特性和流變特性等試驗(yàn)，確定合理的輸送參數(shù)，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

（2）在管道系統(tǒng)已經(jīng)建成的情況下，通過工業(yè)試驗(yàn)研究，將田建村礦漿輸送粒度由-3 mm優(yōu)化為-2 mm，并在一定的范圍內(nèi)對渣漿泵葉輪尺寸進(jìn)行優(yōu)化，適當(dāng)提高流速，保證了管道的正常輸送，尾礦輸送優(yōu)化改造取得了圓滿成功。

（3）輸送粒度的降低在一定程度上導(dǎo)致半自磨機(jī)循環(huán)負(fù)荷增大，半自磨系統(tǒng)一直未能達(dá)到設(shè)計(jì)的500萬t/a能力，在全部供礦為原生礦條件下，半自磨機(jī)臺時(shí)平均為613 t/h，僅為設(shè)計(jì)672 t/h臺時(shí)的91%。在管道已到更換周期時(shí)，下一步還應(yīng)對輸送粒度、輸送濃度、管徑大小等進(jìn)一步優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)產(chǎn)能最大化，降低半自磨系統(tǒng)成本。